(57)【要約】【課題】気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産する技術を提供する。【解決手段】有価物生産装置１００には、供給気体１０１の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得るガス濃度・流量センサ１０９ａが設けられている。また、培養槽１０３内の多孔質膜モジュールから排出される排出気体１０６の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得るガス濃度・流量センサ１０９ｂが設けられている。さらに、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養槽１０３内の培養液中への供給気体１０１の流量を調整するコントローラ１１０および流量調整バルブ１１１が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養槽内の培養液中の微生物により気体状の基質から有価物を生産する方法であって、
前記基質を含む供給気体を、多孔質膜モジュールを介して前記培養液と接触させ、前記基質を前記培養液中に供給する工程と、
前記供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る工程と、
前記多孔質膜モジュールから排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る工程と、
前記基質供給量と前記基質排出量とから求められる前記基質の除去速度が所定の範囲内になるように、前記多孔質膜モジュールへの前記供給気体の流量を調整する工程と、
を含むことを特徴とする有価物生産方法。
【請求項２】
請求項１記載の有価物生産方法において、
前記基質を前記培養液中に供給する工程は、
前記培養槽の外部に設けられている基質供給槽内で、前記供給気体を、前記多孔質膜モジュールを介して前記培養液と接触させ、前記基質を前記基質供給槽内の培養液中に供給する工程と、
前記基質供給槽内の培養液および前記培養槽内の培養液を互いに循環させ、前記基質を前記培養槽内の培養液中に供給する工程と、
を含むことを特徴とする有価物生産方法。
【請求項３】
請求項２記載の有価物生産方法において、
前記基質供給槽内から前記培養槽内への前記培養液の流量を調整する工程をさらに含むことを特徴とする有価物生産方法。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の有価物生産方法において、
前記基質は、一酸化炭素および／または水素を含むことを特徴とする有価物生産方法。
【請求項５】
微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、
前記微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、
前記培養槽内に設けられており、多孔質膜を介して前記基質を含む供給気体および前記培養液を接触させ、前記基質を前記培養液中に供給する多孔質膜モジュールと、
前記多孔質膜モジュールに前記供給気体を供給する気体供給部と、
前記多孔質膜モジュールから排出気体を排出する気体排出部と、
前記供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、
前記排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、
前記基質供給量と前記基質排出量とから求められる前記基質の除去速度が所定の範囲内になるように、前記多孔質膜モジュールへの前記供給気体の流量を調整する供給量調整部と、
を備えることを特徴とする有価物生産装置。
【請求項６】
微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、
前記微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、
前記培養槽外に設けられており、前記基質を前記培養液中に供給させる基質供給槽と、
前記基質供給槽内に設けられており、多孔質膜を介して前記基質を含む供給気体および前記培養液を接触させ、前記基質を前記培養液中に供給する多孔質膜モジュールと、
前記基質供給槽内の培養液および前記培養槽内の培養液を互いに循環させる培養液循環部と、
前記多孔質膜モジュールに前記供給気体を供給する気体供給部と、
前記多孔質膜モジュールから排出気体を排出する気体排出部と、
前記供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、
前記排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、
前記基質供給量と前記基質排出量とから求められる前記基質の除去速度が所定の範囲内になるように、前記多孔質膜モジュールへの前記供給気体の流量を調整する供給量調整部と、
を備えることを特徴とする有価物生産装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物による有価物生産方法および有価物生産装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物を用いた有価物生産は、通常、水を媒体として、微生物の増殖あるいは生存に必要な栄養塩類等を溶解させた水溶液（培養液）中に微生物細胞を保持させた反応槽の中で、微生物に原料（基質）から生産物への物質変換を行わせるものである。水に対する基質の溶解度が高い場合は、微生物の物質変換速度そのものが反応律速となるが、水に対する基質の溶解度が低い場合は、基質の溶解速度が反応律速となる。
【０００３】
気体状物質を基質として、微生物を用いて有価物を生産する技術としては、空気中の二酸化炭素（ＣＯ2）を利用して光合成を行う微細藻類を生産し、微細藻類の細胞そのものを水産生物の餌料として利用したり、あるいは微細藻類の生産するカロテノイドなどのような色素やドコサヘキサエン酸（ＤＨＡ）などのような不飽和脂肪酸を抽出して利用したりすることが古くから行われてきた。また、嫌気性の酢酸生産菌を利用して、ＣＯ2を基質として酢酸を生産させる技術も開発されている。
【０００４】
一方、水素（Ｈ2）やＣＯ2から酢酸を生産する嫌気性細菌は１９７０年代後半から報告されており、１９８０年代初期には一酸化炭素（ＣＯ）から酢酸を生産する細菌が報告されている。しかしながら、Ｈ2やＣＯは水に対する溶解度がＣＯ2に比べて極めて低いため、Ｈ2やＣＯから酢酸を生産する技術は実用化が見込める段階に至っていない。
【０００５】
この実用化の課題に対して、特許文献１では、一酸化炭素や水素などの水への溶解度が低い気体状物質を基質として、微生物による有価物生産効率を向上するために、例えば発酵槽内に設置した撹拌羽根の回転数を８００ｒｐｍ以上に上げて気体の溶解を促進する方法や、加圧型発酵槽を利用する方法などが提唱されている。しかし、撹拌羽根の回転数を大きくすると、剪断力により微生物細胞が破壊されやすい。一方、加圧型発酵槽は耐圧構造のため発酵槽のイニシャルコストが高くなりやすく、また高圧容器にあたるため法律上の資格を持った作業主任者の設置や法定点検等が必要である。
【０００６】
また、気体を液体に溶解する技術の一つとして、気体と液体の接触面積を大きくできる微小気泡として気体を供給する方法がある。しかし、微生物の培養への微小気泡の応用技術に関しては、好気性微生物が有機物を分解してエネルギーを得るための最終電子受容物質としての酸素供給に関する研究がもっぱら行われており、一酸化炭素や水素などの基質としての気体供給に関する報告例はみあたらない。
【０００７】
なお、好気性微生物にとっての酸素は、不足すると増殖が阻害されるのに対し、過剰量供給される場合については特に支障がない。そのため、非特許文献１では、酸素供給技術に関しては効率化すなわち消費エネルギー（コスト）削減という実用面から評価されている。これに対し、一酸化炭素や水素などの基質として利用する気体の供給技術においては、基質阻害という課題も解決しなければならないが、微小気泡の応用技術に関して基質阻害の観点からの報告例はみあたらない。
【０００８】
Ｈ2やＣＯ2あるいはＣＯから酢酸を生産する嫌気性細菌のなかには、酢酸と同時に微量のエタノールを生産するものがあることが知られていたが、近年、非特許文献２、３、４に示すように、培養条件によってはエタノールを多量に生産することができる細菌が報告されている。しかし、エタノールの生産においては、特許文献１、非特許文献５に示すように、基質、特にＨ2による増殖阻害あるいはエタノール生産阻害が著しいことが報告されている。そのため、基質供給速度が高すぎても、菌体の増殖速度の低下あるいはエタノール生産活性の低下が起こりやすく、一旦増殖速度あるいは活性が低下した菌体の回復は極めて困難であるという課題があった。
【０００９】
【特許文献１】特表２００４−５０４０５８号公報
【非特許文献１】R.M. Worden, et al.; Engineering issues in synthesis-gas fermentations, ACS Symp.  Ser. (Am. Chem. Soc.), No.666, 320-335, 1997
【非特許文献２】J. l. Vega, et al.; The biological production of ethanol from synthesis gas, Appl. Biochem. & Biothecnol., 20/21, 781-797, 1989
【非特許文献３】J. Abrini, et al.; Clostridium autoethanogenum, sp. Nov.,  an anaerobic bacterium that produces ethanol carbon monoxide, Arch. Microbiol, 161, 345-351, 1994
【非特許文献４】S.Rajagopalan, et al.; Formation of ethanol from carbon monoxide via a new microbial catalyst, Biomass & Bioenergy, 23, 487-493, 2002
【非特許文献５】R.P. Datar, et al.; Fermentation of biomass-generated producer gas to ethanol, Biotechnol. & Bioeng., 86, 587-594, 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、培養槽内の培養液中の微生物により気体状の基質から有価物を生産する方法であって、基質を含む供給気体を、多孔質膜モジュールを介して培養液と接触させ、基質を培養液中に供給する工程と、供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る工程と、多孔質膜モジュールから排出される排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る工程と、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、多孔質膜モジュールへの供給気体の流量を調整する工程と、を含むことを特徴とする有価物生産方法が提供される。
【００１２】
この方法によれば、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量が、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。
【００１３】
本発明によれば、微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、培養槽内に設けられており、多孔質膜を介して基質を含む供給気体および培養液を接触させ、基質を培養液中に供給する多孔質膜モジュールと、多孔質膜モジュールに供給気体を供給する気体供給部と、多孔質膜モジュールから排出気体を排出する気体排出部と、供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、多孔質膜モジュールへの供給気体の流量を調整する供給量調整部と、を備えることを特徴とする有価物生産装置が提供される。
【００１４】
この構成によれば、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量が、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。
【００１５】
本発明によれば、微生物により気体状の基質から有価物を生産する装置であって、微生物を培養する培養液を入れる培養槽と、培養槽外に設けられており、基質を培養液中に供給させる基質供給槽と、基質供給槽内に設けられており、多孔質膜を介して基質を含む供給気体および培養液を接触させ、基質を培養液中に供給する多孔質膜モジュールと、基質供給槽内の培養液および培養槽内の培養液を互いに循環させる培養液循環部と、多孔質膜モジュールに供給気体を供給する気体供給部と、多孔質膜モジュールから排出気体を排出する気体排出部と、供給気体の基質濃度および流量を測定して基質供給量を得る基質供給量測定部と、排出気体の基質濃度および流量を測定して基質排出量を得る基質排出量測定部と、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、多孔質膜モジュールへの供給気体の流量を調整する供給量調整部と、を備えることを特徴とする有価物生産装置が提供される。
【００１６】
この構成によれば、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量が、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明において、基質を培養液中に供給する工程は、培養槽の外部に設けられている基質供給槽内で、供給気体を、多孔質膜モジュールを介して培養液と接触させ、基質を基質供給槽内の培養液中に供給する工程と、基質供給槽内の培養液および培養槽内の培養液を互いに循環させ、基質を培養槽内の培養液中に供給する工程と、を含んでもよい。
【００１９】
この方法によれば、培養槽の外部に設けられている基質供給槽内で基質を培養液中に供給するので、培養槽の内部構造などにかかわらず、容易に培養液中に基質を供給することができる。
【００２０】
本発明は、基質供給槽内から培養槽内への培養液の供給量を調整する工程をさらに含んでもよい。
【００２１】
この方法によれば、基質供給槽内から培養槽内への培養液の供給量を調整することにより、培養槽内の培養液への基質の単位時間あたりの供給量を容易に調整することができる。
【００２２】
本発明において、上記基質は、一酸化炭素および／または水素を含んでもよい。
【００２３】
この方法によれば、水への溶解速度の小さい一酸化炭素および／または水素を基質として用いる場合であっても、培養液中への一酸化炭素および／または水素の単位時間あたりの供給量を、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、一酸化炭素および／または水素の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、一酸化炭素および／または水素を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２５】
＜第一の装置の構成＞
図１は、本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の一例を示すプロセスフローである。有価物生産装置１００は、微生物により気体状の基質（一酸化炭素および／または水素など）から有価物（酢酸またはエタノールなど）を生産する装置である。
【００２６】
有価物生産装置１００は、微生物を培養する培養液を入れる培養槽１０３を備える。培養槽１０３内には、図示しない撹拌機構が設けられている。また、培養槽１０３内には、気体を透過させる多孔質膜モジュール１０４が設けられている。また、多孔質膜モジュール１０４には、気体を多孔質膜からなる中空体の内部に導入する機構（気体供給部）及び気体を多孔質膜からなる中空体の外部に排出する機構（気体排出部）が設けられている。
【００２７】
また、有価物生産装置１００は、多孔質膜モジュール１０４に基質を含む供給気体１０１を供給する気体供給部（図中の基質を含む供給気体１０１を導入する配管として示される、気体を導入する機構）と、排出気体１０６を排出する気体排出部（図中排出気体１０６を排出する配管として示される）とを備える。
【００２８】
有価物生産装置１００は、培養槽１０３内に培養液１０２を導入する配管（培養液を導入する機構）と、培養槽１０３から排出液１０５を抜き出す配管（培養液を排出する機構）と、を備える。
【００２９】
有価物生産装置１００は、供給気体１０１の基質濃度および流量を測定して、供給濃度測定値および供給流量測定値に基づく基質供給量を得る基質供給量測定部（ガス濃度・流量センサ１０９ａ）を備える。また、有価物生産装置１００は、培養槽１０３内の多孔質膜モジュールから排出される排出気体１０６の基質濃度および流量を測定して、排出濃度測定値および排出流量測定値に基づく基質排出量を得る基質排出量測定部（ガス濃度・流量センサ１０９ｂ）を備える。
【００３０】
有価物生産装置１００は、基質供給量と基質排出量とから求められる基質の除去速度が所定の範囲内になるように、培養槽１０３内の培養液中への供給気体１０１の単位時間あたりの流量を調整する供給量調整部（コントローラ１１０および流量調整バルブ１１１）を備える。
【００３１】
図１に示した有価物生産装置１００では、気体状基質は多孔質膜に供給され、多孔質膜から排出される。また、気体中の基質は、多孔質膜内と培養液内との分圧差を推進力として、気泡の発生しない状態で、培養液に供給（溶解）される。
【００３２】
また、一酸化炭素および／または水素などを含む基質１０１は、図中の配管で示される気体供給部を通って、多孔質膜モジュール１０４に供給され、多孔質膜を透過して培養槽１０３内の培養液中に気泡を発生することなく供給される。多孔質膜モジュール１０４に供給されて多孔質膜を透過せずに残った気体は、多孔質膜モジュール１０４からの排出気体１０６として外部に排出される。
【００３３】
また、供給気体１０１は、流量調整バルブ１１１の手前の配管中において、ガス濃度・流量センサ１０９ａにより、一酸化炭素および／または水素などの濃度、および供給気体１０１の流量に基づいて基質供給量を測定される。一方、培養槽１０３内の多孔質膜モジュールから排出される排出気体１０６は、培養槽１０３の上部の配管中でガス濃度・流量センサ１０９ｂにより、一酸化炭素および／または水素などの濃度、および排出気体１０６の流量に基づいて基質排出量を測定される。
【００３４】
さらに、培養槽１０３内では、多孔質膜モジュール１０４内部と培養液中との基質分圧の差を推進力として、多孔質膜モジュールから培養液中へ気泡を発生することなく、基質が供給される。供給された基質は、培養槽１０３内の攪拌機構により攪拌されて、基質が培養槽１０３内に拡散する。培養槽１０３内へ溶解しないで残留した基質を含む気体（排出気体）は、多孔質膜モジュール１０４に接続された気体排出部により培養槽１０３外へ排出される。
【００３５】
上記の配管は、バッチ発酵プロセスの場合には、バッチ発酵プロセス前に培養槽１０３内に培養液１０２を供給し、バッチ発酵プロセス後に培養槽１０３内から排出液１０５を抜き出すのに用いる。一方、これらの配管は、連続発酵プロセスの場合には、連続的または間欠的に培養槽１０３内に培養液１０２を供給し、培養槽１０３内から排出液１０５を抜き出すのに用いる。
【００３６】
また、有価物生産装置１００では、コントローラ１１０により流量調整バルブ１１１の開閉を調節することにより、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量を、微生物による酢酸またはエタノールなどの有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、供給気体１０１に含まれる一酸化炭素および／または水素などの基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、一酸化炭素および／または水素などの気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に酢酸またはエタノールなどの有価物を生産することができる。
【００３７】
＜第二の装置の構成＞
図２は、本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の一例を示すプロセスフローである。なお、有価物生産装置２００は、基本的には、有価物生産装置１００と同様の構成である。そのため、以下、有価物生産装置２００に特有の点を中心に説明する。
【００３８】
この有価物生産装置２００の発酵槽２０３の外部には、供給気体２０１中の一酸化炭素および／または水素などの基質を培養液中に供給させる基質溶解装置２０７が設けられている。基質溶解装置２０７内には、一酸化炭素および／または水素などの気体状の基質を透過させる多孔質膜モジュール２０４が設けられている。なお、基質溶解装置２０７は、基質供給槽に相当する。
【００３９】
また、有価物生産装置２００は、基質溶解装置２０７内の培養液および発酵槽２０３内の培養液を互いに循環させる培養液循環部（循環培養液２０８を通過させる配管として示される）を備える。
【００４０】
さらに、有価物生産装置２００は、２つの流量調節バルブ２１１ａ、２１１ｂを備える。そして、コントローラ２１０は、２つのガス濃度・流量センサ２０９ａ、２０９ｂが測定する供給気体２０１および多孔質膜モジュール２０４からの排出気体２０６の基質濃度および流量に基づいて、２つの流量調節バルブ２１１ａ、２１１ｂを制御する。流量調節バルブ２１１ａは、供給気体２０１を多孔質膜モジュール２０４に供給するための配管に設けられている。一方、流量調節バルブ２１１ｂは、発酵槽２０３内の培養液の一部を基質溶解装置２０７へ循環する配管に設けられている。
【００４１】
図２に示した有価物生産装置２００では、排出ガス２０６は、多孔質膜モジュール２０４から排出される。培養槽２０３からも排出ガス２１２が排出されるが、排出ガス２１２は微生物の呼吸代謝によるガス（ＣＯ2主体）であり、基質は含まない。そのため、排出ガス２０６の基質濃度および流量を測定することにより、消費された基質の量を求めることができる。
【００４２】
また、発酵槽２０３の外部に設けられている基質溶解装置２０７内で気泡を発生させることなく供給気体中の基質２０１を培養液中に供給するので、発酵槽２０３の内部構造などにかかわらず、容易に培養液中に供給気体２０１から基質を供給することができる。
【００４３】
さらに、基質溶解装置２０７内および発酵槽２０３内の培養液を循環させているので、基質溶解装置２０７内で供給気体２０１から基質を培養液中に供給しても、溶解した基質を発酵槽２０３内の培養液全体に均一に行き渡らせることができる。
【００４４】
そして、コントローラ２１０により、供給気体２０１を多孔質膜モジュール２０４に供給するための配管に設けられている流量調節バルブ２１１ａを開閉するので、供給気体２０１の多孔質膜モジュール２０４への流量を調整することができる。また、コントローラ２１０により、循環培養液２０８の流量を調節する流量調節バルブ２１１ｂを開閉するので、基質溶解装置２０７内から発酵槽２０３内への培養液の供給量を調整することができる。その結果、発酵槽２０３内の培養液への基質の単位時間あたりの供給量を容易に調整することができる。
【００４５】
＜多孔質膜＞
本実施形態における多孔質膜の素材としては、疎水性多孔質膜を用いてもよい。例えば、ポリ四フッ化エチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの材料からなる疎水性多孔質膜を用いることができる。また、液を通さずに気体を透過させるためには、気孔率（膜の見かけの容積に対する空間の割合）が３０％〜７０％程度とすることができ、好ましくは４０％〜６０％程度であることが望ましい。膜の孔径は０．０１μｍ〜１μｍとすることができ、好ましくは０．０５μｍ〜０．２μｍであることが望ましく、最も望ましい膜の孔径は、０．０８μｍ〜０．１２μｍである。この範囲内の孔径であれば、液を通さずに気体を透過させることが容易になる。
【００４６】
また、本実施形態においては、多孔質膜を平膜あるいは中空糸膜のモジュールに整形して用いることができる。この多孔質膜モジュール１０４は、内側を気体が通過する構造として、培養槽１０３内部に設置することができる。また、発酵槽２０３の外部に培養液の一部を循環する基質溶解装置２０７を設け、この中に多孔質膜モジュール２０４を設置してもよい。基質溶解装置２０７においては、中空糸膜モジュールを用いることが望ましく、その場合多孔質膜モジュール２０４の内側を気体が通過する構造あるいは培養液が通過する構造のいずれの構造でも用いることができる。
【００４７】
図３は、本実施形態の微生物による有価物生産装置の構成の変形例の一部の拡大図である。この図では、上述の基質溶解装置２０７内に設けられている多孔質膜モジュール２０４の代わりに、基質溶解装置３０７内に設けられている中空糸膜モジュール３０４を用いた場合であって、中空糸膜モジュール３０４の内側を循環培養液２０８が通過する構造を有する変形例を説明する。
【００４８】
このように、中空糸膜モジュール３０４の内側を循環培養液２０８が通過する構造であっても、上述の基質溶解装置２０７内に設けられている多孔質膜モジュール２０４を用いる場合と同様の作用効果が得られる。すなわち、この図に示すように、基質を含む供給気体３０１が、基質溶解装置３０７内に供給されており、基質溶解装置３０７内から排出気体３０６が外部に排出されているため、基質溶解装置３０７内に設けられている中空糸膜モジュール３０４の多孔質膜を介して、基質を含む供給気体３０１および循環培養液２０８が接触し、供給気体３０１中の基質が循環培養液２０８中に気泡を発生することなく、好適に溶解することになる。
【００４９】
＜基質、微生物、有価物＞
本実施形態における有価物生産工程で用いる基質は、特に限定するものではないが、例えば、一酸化炭素、水素、二酸化炭素などを挙げることができる。これらの中でも、水に対する溶解性が小さい、一酸化炭素および／または水素に対して、本実施形態は特に有効である。
【００５０】
本実施形態における有価物生産工程で生産される有価物は、微生物の菌体そのもの、あるいは微生物の菌体内に生産される有価物、あるいは微生物の菌体外に生産される有価物のいずれでもよいが、微生物の菌体外に生産される有価物であることが好ましい。特に好ましい有価物としては、酢酸、酪酸、エタノール、ブタノールなどが挙げられる。
【００５１】
本実施形態において利用される微生物は、気体状の基質を利用して有価物を発酵生産する微生物であればいずれの微生物も利用することができるが、気体状の基質を利用して有価物を発酵生産する通性あるいは偏性嫌気性細菌が好ましい。例えば、Acetobacterium carbinolicum、Acetobacterium woodii、Acetobacterium weiringae、Acetogenium kivui、Butyribacterium methylotrophicum、Eubacterium limosum、Clostridium aceticum、Clostridium autoethanogenum、Clostridium formicaceticum、Clostridium ljungdahlii、Clostridium thermaceticam、Clostridium thermautotrophicum、Peptostreptococcus productus、Sporomusa acidovorans、Sporomusa ovata、Sporomusa spheroidesなどが挙げられる。
【００５２】
＜運転制御条件＞
本実施形態においては、基質を含む供給気体１０１、２０１の基質濃度および流量に基づく基質供給量と多孔質膜モジュール１０４、２０４からの排出気体１０６、２０６の基質濃度および流量に基づく基質排出量とをモニタリングすることによって、基質を含む供給気体１０１、２０１の流量を制御することが好ましい。
【００５３】
特に連続培養運転において、発酵槽１０３、２０３内の微生物濃度が定常状態になった後は、基質の除去速度（消費速度）が予め測定した最大比基質吸収速度（ｍｇ−基質／ｇ−細胞／日）から計算した最大基質除去速度の９５％以下、より好ましくは９５〜７５％となるように供給気体１０１、２０１の流量を制御することが好ましい。この範囲内の供給気体１０１、２０１の流量であれば、一酸化炭素および／または水素などの基質の供給不足または供給過剰を抑制することができるので、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。
【００５４】
なお、基質の除去速度（消費速度）は、供給気体１０１、２０１中の基質濃度および排出気体１０６、２０６中の基質濃度と、供給気体１０１、２０１の流量および排出気体１０６、２０６の流量とから単純な算術計算により求めることができる指標である。また、最大比基質吸収速度（ｍｇ−基質／ｇ−細胞／日）とは、一日あたりに１ｇの細胞が何ｍｇの基質を吸収・消費するかを示す指標であり、予め測定した結果から基質の除去速度（消費速度）と同様の計算により求められる。
【００５５】
また、本実施形態においては、発酵槽２０３の外部に多孔質膜モジュール２０４を備えた基質溶解装置２０７を設け、培養液の一部を基質溶解装置２０７と発酵槽２０３の間を循環させることができる。さらに、基質を含む供給気体２０１中の基質濃度および発酵槽２０３からの排出気体２０６中の基質濃度と、供給気体２０１の流量および排出気体２０６の流量とをモニタリングすることによって、該基質溶解装置２０７に循環される循環培養液２０８の流量を制御することが好ましい。培養液の循環率を制御することにより、培養液の発酵槽内滞留時間（ＨＲＴ）を変化させずに、基質の供給量を変化させることができる。
【００５６】
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
本実施形態によれば、供給気体の基質濃度および流量と排出気体の基質濃度および流量とから、基質の除去速度を求め、基質の除去速度が所定の範囲内になるように、多孔質膜モジュールへの供給気体の流量を調整することにより、培養液中への基質の単位時間あたりの供給量が、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、供給気体に含まれる基質の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、第二の装置の構成の場合には、培養槽の外部に設けられている基質供給槽内で基質を培養液中に供給するので、培養槽の内部構造などにかかわらず、容易に培養液中に基質を供給することができる。また、基質供給槽内から培養槽内への培養液の供給量を調整することにより、培養槽内の培養液への基質の単位時間あたりの供給量を容易に調整することができる。
【００５８】
また、本実施形態によれば、水への溶解速度の小さい一酸化炭素および／または水素を基質として用いる場合であっても、培養液中への一酸化炭素および／または水素の単位時間あたりの供給量を、微生物による有価物の生産に適度な量となるように調整することができる。そのため、一酸化炭素および／または水素の供給不足または供給過剰を抑制し、微生物による有価物の生産効率を向上することができる。その結果、一酸化炭素および／または水素を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができる。
【００５９】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００６０】
例えば、上記のいずれの実施形態においても、排出気体を回収して供給気体に戻して再利用することは有効である。この構成によれば、排出気体中に含まれる基質を再利用できるため、基質から有価物を生産する効率が向上する。
【００６１】
また、排出気体を回収して再利用する場合には、排出気体中の水蒸気、二酸化炭素を除去する装置を付加することが有効である。この構成によれば、排出気体中に含まれる水蒸気、二酸化炭素を除去できるため、再利用された排出気体を含む供給気体の品質を向上することができる。その結果、基質から有価物を生産する効率が向上する。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６３】
＜実施例＞
集積培養体の作成
容積２５０ｍＬのバイアル瓶に表１に示す培地を１５０ｍＬ入れ、生ゴミを処理しているメタン発酵槽より採取した汚泥１０ｍＬを添加し、気相部を６４％ＣＯ、１４％ＣＯ2、２２％Ｈ2の組成のガスで置換し、３７℃、ｐＨ６．０で振とう培養した。
【００６４】
気相部のガス組成を定期的に分析し、ＣＯ濃度が初期濃度の２０％以下に低下したバイアル瓶から培養液を１ｍＬ採取し、新しい培地を入れたバイアル瓶に添加し、同様に培養した。同様の操作を繰り返し、安定的にＣＯ除去が認められた集積培養体を以下の実験に用いた。なお、本集積培養体の主たる生成物は酢酸及びＣＯ2であった。
【００６５】
【表１】
2007082437.tif 000003
【００６６】
回分培養試験
膜面積０．１４ｍ2の多孔質膜モジュール（中空糸型）及び撹拌装置を浸漬した有効容積１５００ｍＬのジャーファーメンターに表１の培地を１０００ｍＬ入れ、集積培養体を２０ｍＬ添加した。６４％ＣＯ、１４％ＣＯ2、２２％Ｈ2の組成のガスを１００ｍＬ／分の速度で供給し、ｐＨ６．０、３７℃、撹拌速度２００ｒｐｍで培養をした。
【００６７】
菌体濃度を定期的に測定し、４日後に２５０ｍｇ／Ｌになった後、供給気体のＣＯ濃度および流量に基づく基質供給量とジャーファーメンターからの排出気体のＣＯ濃度および流量に基づく基質排出量との差から算出されるＣＯ除去速度（ｍｇ−ＣＯ／Ｌ／日）が、最大比ＣＯ吸収速度（ｍｇ−ＣＯ／ｇ−細胞／日）および菌体濃度（ｍｇ／Ｌ）の積から計算した最大ＣＯ除去速度（ｍｇ−ＣＯ／Ｌ／日）の９５〜８０％となるように供給気体の流量を制御しながら、供給気体の流量を徐々に上げていった。
【００６８】
培養開始から１０日には菌体濃度が８００ｍｇ／Ｌで安定し、そのときの供給気体の流量は１８０  ｍＬ／分、酢酸濃度は３．４ｇ／Ｌとなった。
【００６９】
＜対照例＞
回分培養の際に、菌体濃度が２５０ｍｇ／Ｌになった後、供給気体の流量を１８０ｍＬ／分に上げて運転した系列では、供給気体の流量を上げてから３日後に菌体増殖が停止した。そのときの酢酸濃度は１．８ｇ／Ｌであった。
【００７０】
＜比較例＞
回分培養の際に、通常の散気装置及び撹拌装置を備えた有効容積１５００ｍＬのジャーファーメンターに表１の培地を１０００ｍＬ入れ、集積培養体を２０ｍＬ添加した。６４％ＣＯ、１４％ＣＯ2、２２％Ｈ2の組成のガスを１００ｍＬ／分の速度で供給し、ｐＨ６．０、３７℃、撹拌速度２００ｒｐｍで培養をした。
【００７１】
菌体濃度と酢酸濃度を定期的に測定した。菌体濃度１９０ｍｇ／Ｌで増殖が停止し、そのときの酢酸濃度は１．３ｇ／Ｌであった。
【００７２】
以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明にかかる有価物生産方法は、気体状物質を基質として、微生物を用いて効率的に有価物を生産することができるという効果を有し、微生物による有価物生産方法および有価物生産装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】実施形態１の微生物による有価物生産装置の構成の一例を示すプロセスフローである。
【図２】実施形態２の微生物による有価物生産装置の構成の一例を示すプロセスフローである。
【図３】実施形態２の微生物による有価物生産装置の構成の変形例の一部の拡大図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００    有価物生産装置
１０１    基質
１０２    培養液
１０３    発酵槽
１０４    多孔質膜モジュール
１０５    排出液
１０６    排出気体
１０９ａ  ガス濃度・流量センサ
１０９ｂ  ガス濃度・流量センサ
１１０    コントローラ
１１１    流量調整バルブ
２００    有価物生産装置
２０１    供給気体
２０２    培養液
２０３    発酵槽
２０４    多孔質膜モジュール
２０５    排出液
２０６    排出気体
２０７    基質溶解装置
２０８    循環培養液
２０９ａ  ガス濃度・流量センサ
２０９ｂ  ガス濃度・流量センサ
２１０    コントローラ
２１１ａ  流量調整バルブ
２１１ｂ  流量調整バルブ
３０１    供給気体
３０４    中空糸膜モジュール
３０６    排出気体
３０７    基質溶解装置
【図１】
2007082437.tif 000004
【図２】
2007082437.tif 000005
【図３】
2007082437.tif 000006